海口火山口国家地质公园空气负氧离子及影响因素研究

彭春梅，谢东海，王 旭，周小鹏

(1.海南大学林学院，海南 海口 570228；2.海南省环境科学研究院，海南 海口 570206；3.海南大学生态与环境学院，海南 海口570228；4.海口市环境保护监测站，海南 海口 570102)

空气离子是由呈中性的空气气体分子在太阳紫外光照射、水分子的裂解、雷电、植物尖端放电、植物光合作用以及人为干扰等因素作用下，发生电离，形成带电荷的正离子和负离子[1].因此，气候类型、天气状况、植物分布、温度湿度等自然地理条件变化和人为影响等因素，都会影响空气负氧离子浓度.负氧离子是空气中一种带负电荷的气体离子，因具有杀菌、降尘、清洁空气、促进新陈代谢、提高免疫力等功能[2]，常被人们称之为“空气维生素”或“长寿素”[3].负氧离子浓度高低也成为评价空气质量的一项重要指标.

自21世纪以来，随着人们对生存环境的日益关注，负氧离子的研究开始从生物医学领域转向城市生态.近年来，国内外众多学者对不同城市的负氧离子浓度及影响因素开展了一系列研究：Pawar、Retalis等对印度拉马南德、希腊雅典等地区的负氧离子浓度分布状况进行了研究分析[4-5]；汤秋嫄、穆丹、袁相洋等学者对我国不同地域、城市的负氧离子分布规律也进行了多方面探究[6-22]，涉及的研究区域分布较广泛，主要包括温带季风气候带、亚热带季风气候带、温带大陆性气候带的区域，但对热带季风气候带和高原山地气候带的负氧离子研究涉及较少.

在负氧离子的研究中，一部分研究数据的监测时间跨度较短[8-9,12,17]，没有考虑较长时间跨度对负氧离子浓度的影响.另一部分研究虽然是在较长时间跨度内进行[6-7,10,15]，但也只是选择了少部分时间段进行研究分析，不足以揭示负氧离子浓度变化的普遍规律.

本文以海口市火山口国家地质公园为研究对象，对该地2016—2017年间负氧离子浓度和相关要素的逐时观测数据进行了分析，旨在揭示海口火山口负氧离子浓度的变化规律以及其与环境要素和气象要素的相关关系，以便为中国热带季风气候区的负氧离子浓度研究提供一定的参考.

1 资料选取和方法介绍

1.1 研究地概况如图1，研究地所在的海口石山火山群国家地质公园位于海口市区东面的石山镇，距海口市区15公里，是国家4A级景区、世界地质公园.该地属地堑-裂谷型基性火山活动地质遗迹，具有极高的科考、科研、科普和旅游观赏价值.海口市属热带季风海洋性气候，年平均气温24.3℃，年平均降水量1715.3毫米，平均相对湿度为85%，常年以东北风和东南风为主[23].

1.2 资料与方法将负氧离子观测设备安装于海口火山口旅游区空气自动监测站内，地理坐标为东经110°12′44″，北纬19°55′40″，海拔高度为165 m.负氧离子观测仪器采用美国Epex100型负离子浓度自动测量仪，该仪器采用电容式吸入法计算空气负离子，仪器的测量误差分别为：离子浓度≤±10%，迁移率≥1.气象要素监测仪采用德国Lufft WS500-UMB气象五参数分析仪;环境空气监测仪为赛默飞世尔科技公司49i臭氧分析仪、48i一氧化碳分析仪、42i氮氧化物分析仪、43i二氧化硫分析仪、FH62C14可吸入颗粒物(PM10)分析仪以及5030 SHARP细颗粒物(PM2.5)分析仪.选取海口市环境保护监测站(海口火山口站点)2016年1月1日～2017年12月31日的时间段，观测频率为1 h的大气负氧离子数据.气象资料和环境空气资料来自监测站，时间尺度为小时.

2 负氧离子浓度变化分析

图2 海口火山口国家地质公园负氧离子浓度季节变化图

2.1 季节变化特征根据2016—2017年海口火山口负氧离子观测数据，绘制海口火山口负氧离子浓度季节变化柱状图，如图2所示.由图2可知，海口火山口负氧离子浓度呈现明显的季节变化和年份变化.2016年和2017年年均负氧离子浓度分别为1 327个·cm-3和1 662个·cm-3，2016年负氧离子浓度总体水平低于2017年.谭静等人研究得出强降水会使负氧离子数增加[13]，充沛的水汽条件和降水运动可加剧水分子的裂解，水分子截断后带正电荷，使周围的空气离子产生负电荷，从而加剧了空气中负氧离子的产生[24].相比于2016年，海口市2017年暴雨天气出现次数较多.因此，2017年负氧离子浓度整体水平高于2016年[25-26].

从两年均值变化特征看，总体上表现为夏秋两季负离子浓度较高、春季次之、冬季最低.这和谭静、顾小丽、韦朝领的研究结论相同，夏秋季负氧离子浓度最高，这是由于该地夏季植被生长旺盛，森林植物的 “尖端放电” 和 “光电效应” 以及释放出的芳香挥发性物质都能使空气发生电离现象的缘故, 并且由于森林植物具有降尘功能, 因而使得空气负离子浓度增加, 而且寿命变长[27].

2016—2017年这两年间在秋冬季的负氧离子浓度水平相差不大；在春夏季，2016年负氧离子浓度远低于2017年同期的水平.据气象资料显示：2016年春夏季，海口多次出现极端高温天气和持续性干旱天气，植物在该类天气下易进入休眠或生长迟缓状态，阻碍了植物对空气离子的电离作用，不利于负氧离子的生成[24]；与往年同期相比，2017年夏季，海口市暴雨天数较多[25]，这更有利于负氧离子的产生.2016和2017年春夏季的不同气象状况使得同期负氧离子浓度产生较大的差异.

2.2 日变化特征根据2016—2017年测量所获得的海口火山口空气负离子浓度的数据，选取两年内所有有效数据，分别绘制了春、夏、秋、冬四个季节空气负离子浓度的逐时变化图(见图3).

根据图3可以看出，在2016—2017年间海口火山口大气负氧离子浓度的逐时变化规律基本一致，呈现出中间高、两头低的“A”字型，总体来说，白天负氧离子浓度高于夜间负氧离子浓度，最大值出现在白天，最小值出现在晚上.从大气负氧离子浓度日变化趋势可以看出，大气负氧离子浓度与气温变化趋势基本相同，白天空气负氧离子浓度随温度的升高而升高，夜间空气负氧离子浓度随温度降低而降低.在同一天中，白天随着温度的升高，太阳紫外光加强，使空气分子离子化，从而增加了空气中负离子的含量[28]；温度升高促使植物光合作用增强，有利于负氧离子的产生，这和该地植被密集的状况相一致.并且该观测点位于景区山顶，白天受交通、人流活动影响较少，所以呈现出白天高、晚上低的变化趋势.

(a.春季b.夏季c.秋季d.冬季)

2.3 等级分布特征目前我国和国际没有对负氧离子浓度等级进行划分的统一标准.故本文采取毛成衷等制定的负氧离子等级标准来进行分析[18]，等级标准见表1所示.通过对海口火山口负氧离子逐时浓度进行分级统计(见图4)得出，2016年火山口负氧离子浓度等级在5级及以上的占75.3%，说明2016年火山口大部分时间的空气状况是有利于人体健康的.浓度等级在7级及以上的占29.4%，说明接近三分一时间的空气状况对人体健康“很有利”.而2017年负氧离子的浓度等级在5级及以上出现的频率为97.0%，在7级及以上的频率为58.1%，总体上高于2016年水平.

表1 负氧离子浓度值等级表

图4 2016—2017年负氧离子浓度各等级出现频率

通过运用多项式趋势线表征2016和2017年海口火山口负氧离子浓度的等级分布频率，2016年在3～8级均有分布(峰度系数g2016年=-0.033)，2017年主要分布在5～8级(峰度系数g2017年=-1.784)，更集中于高浓度等级，说明2017年海口火山口空气负氧离子浓度更高，对人体健康更为有利，具体见图4.

3 负氧离子浓度与环境、气象因子的相关性

研究表明[6-22]，二氧化硫、二氧化氮、臭氧、PM10、PM2.5等环境因子和温度、相对湿度、气压、风速等气象因子对负氧离子浓度有较大影响.本文利用海口火山口国家地质公园连续两年观测到的大气负氧离子浓度数据和同时段环境空气与气象监测数据，选取数据较稳定时间段，分季节对所观测到的影响因子进行SPSS单因素Pearson相关性分析；并利用数据统计分析法和EIAProA2008软件分别对湿度和风向、风速与负氧离子浓度的关系进行进一步研究分析.

3.1 大气负氧离子与环境因子的关系根据2016—2017年海口火山口国家地质公园负氧离子浓度和相关环境因素的观测数据，利用SPSS软件分季节进行了单因素Pearson相关性分析，结果如表2所示.

表2 环境因子与大气负氧离子浓度的相关系数

注：“*”表示通过0.05显著性检验，“**”表示通过0.01显著性检验，/表示未通过检验

如表2所示，二氧化硫、PM10、PM2.5与大气负氧离子浓度呈负相关，二氧化氮、臭氧、一氧化碳与负氧离子浓度相关性表现不明显.总体而言，六个基本环境要素在以季节为单位进行相关性分析时，在每个季节所表现的相关性大多呈极显著相关，但二氧化氮、臭氧、一氧化碳这三个环境因素在不同的季节表现出的正负相关性有多处不同，所以这三种环境要素与负氧离子浓度的相关性不明显.二氧化硫、PM10、PM2.5这三种环境要素有一个季节与负氧离子浓度呈正相关，其余季节均表现为负相关，所以这三种环境要素和负氧离子浓度基本呈负相关.其中，PM2.5与负氧离子浓度呈现的负相关性更明显.研究发现，PM2.5、PM10等微尘本身是带正电荷的，与带负电荷的负氧离子因表面电荷的不同而相互吸引，从而发生粘附并沉降到地面，致使负氧离子消亡，浓度降低[29].该研究结果与金琪、何张齐等人的研究结果相同[14,17]，说明环境空气中二氧化硫、PM10、PM2.5这几种环境因素是使负氧离子浓度降低的主要因素.

3.2 大气负氧离子与气象因子的关系根据2016—2017年海口火山口国家地质公园负氧离子浓度及相关气象要素的观测数据，利用SPSS软件分季节进行单因素Pearson相关性分析，结果如表3所示.

表3 气象因子与大气负氧离子浓度的相关系数

注：“*”表示通过0.05显著性检验，“**”表示通过0.01显著性检验，“/”表示未通过检验

分析结果表明：海口火山口国家地质公园湿度与负氧离子浓度呈负相关，气温与负氧离子浓度呈正相关，风速、风向、气压和负氧离子浓度的相关性不明显.

风速和大气压在较多季节未通过0.05显著性检验，和负氧离子浓度的相关性较低.风向在不同季节和负氧离子的相关性较强，但相关系数不一致，总体表征为风向和负氧离子浓度无明显的相关性.除2017年冬季，湿度和负氧离子浓度呈正相关外，其余季节均呈负相关，总体上表征为湿度和负氧离子浓度呈负相关性.除2016年秋季，气温和负氧离子浓度呈负相关外，其余季节均呈正相关，总体上表征为气温和负氧离子浓度呈正相关.金琪[14]认为风速和负离子浓度呈负相关，熊丽君[12]认为负离子浓度大小与风向关系较密切，熊丽君、袁相洋、谭静[7-8,12-14,16,21-22]等认为湿度和负氧离子浓度呈正相关，这和本文研究结果相反，其原因在下一节将做进一步分析.

3.2.1 湿度急剧变化对负氧离子浓度的影响根据对海口火山口国家地质公园2016—2017年连续2年的空气负氧离子、环境空气质量及气象要素的监测统计与分析，发现湿度在短时间内大幅变化会使空气中负氧离子浓度有明显增大现象.为研究湿度变化与负氧离子浓度的关系，选取负氧离子每小时变化值超过2000个·cm-3的时段作为研究对象，并分析负氧离子发生变化前5个小时内的湿度变化情况(湿度变化和负氧离子浓度变化有时存在不同步现象)，找出该时间段内湿度差值最大的两个时刻，以每个时间段湿度差值的变化情况为依据进行分类，总结得出表4.

表4 湿度急剧变化与大气负氧离子浓度的关系

如表4，通过对2016—2017年海口火山口国家地质公园负氧离子有效数据的统计得出，负氧离子发生大幅正向变化共计128次，其中，最大湿度差值发生负向变化10次，正向变化73次，湿度未发生变化(均为100%)45次，分别占比7.81%、57.03%、35.16%.从湿度变化的均值来看，湿度发生正向变化的绝对值大于湿度发生负向变化时的绝对值；从平均滞后时间来看，湿度大幅增加时对负氧离子影响的滞后时间更短，对负氧离子大幅增加的影响更为迅速.可以看出，海口火山口国家地质公园负氧离子在短时间内的急剧增加与湿度的大幅增加关系更为密切.

在2016—2017年的有效数据中，负氧离子浓度发生大幅变化超过8次的月份有6个月，分别为：2016年5月、6月、7月，2017年1月、7月、8月.说明负氧离子发生大幅变化的时间以夏季月份居多.选择夏季月份中，负氧离子变化均值最大的月份(2016年6月)，进一步研究负氧离子变化和湿度变化的关系，结果如图5.

(a)7/2 7:00-7/3 3:00,(b)7/3 6:00-7/4 2:00,(c)7/4 5:00-7/5 1:00,(d)7/11 10:00-7/12 6:00,(e)7/13 6:00-7/14 3:00,(f)7/14 6:00-7/15 4:00,(g)7/16 9:00-7/17 5:00,(h)7/17 10:00-7/18 6:00.

图5 海口火山口国家地质公园2016年7月负氧离子浓度变化与湿度变化对比

如图5所示，负离子产生大幅变化前的1～3小时内，湿度均有明显的正向变化，且负氧离子在达到该时段最值后会迅速降低至正常水平，由以上研究结果得出，负氧离子浓度和湿度在短时间内呈明显的正相关关系，湿度的急剧增加是水分子的另一种运动方式，能加剧水分子的裂解，增加空气中的负氧离子浓度[24]；在发生瞬间变化后的时刻，无论湿度保持不变，还是出现小幅增长，负氧离子浓度值都会迅速降低至正常水平，这一现象说明了促使负氧离子浓度增加的不是某一具体的湿度值，而是湿度所产生的急剧变化，这说明降雨、瀑布等短时间增加空气湿度的方式也可显著提高区域负氧离子浓度.

3.2.2 温度和湿度对负氧离子浓度的综合影响2016—2017年间，海口火山口国家地质公园负氧离子浓度和温度呈正相关关系，总体上和相对湿度呈负相关关系，在短时间内和相对湿度呈明显正相关关系.这与我国关于其他气候带的多数研究结论有所不同[5,11-13,16,21,24].

在同一地点，一般温度越高，太阳光线和太阳紫外线就越强，太阳紫外线能使空气离子化，有利于负氧离子的产生；在温度较高时，植物的生长活动更加旺盛，森林植物的 “尖端放电” 和 “光电效应” 以及其所释放出的芳香挥发性物质都能使空气发生电离现象，从而增加负氧离子的浓度.所以在植被覆盖率较高的海口火山口国家地质公园负氧离子浓度和温度呈正相关关系.

较多研究表明，负氧离子浓度和湿度呈正相关[6,12-14,17,19,22]，主要是因为湿度增大时，空气中的水分子增多，O-2结合水分子的机会增大，负氧离子也随之增大.但本研究中，负氧离子整体上和湿度呈负相关，这可能是因为地域不同，影响负氧离子生成的决定因素则不同的缘故.

通过分析认为，研究地海口火山口国家地质公园为热带海洋性季风气候，全年空气相对湿度均较高，可能减弱了负离子浓度对湿度的敏感性，且由于该地植被覆盖率高，热带植物生长旺盛，当白天温度升高时，植物光合作用加强，因而大幅增加了负氧离子的产生；而当夜晚或阴天、降小雨时，温度降低，空气湿度增加，虽然会对污染物有一定吸附作用，促进负离子浓度的增加，但由于阻碍了植物的光合作用，故负氧离子浓度总量反而下降.所以，当温度和相对湿度对负离子浓度同时起作用时，温度所起的正向作用占主导地位.

当弱化温度的影响，即在短时间内研究湿度和负氧离子浓度的关系时，湿度便显示出和负离子浓度的正相关关系，湿度的大幅增加会促使负氧离子浓度急剧增加.

3.2.3 风向风速对负氧离子浓度影响如图6中风向频率图所示，一年中，海口火山口以东风、东北风为主，在其他方向上的风向频率较低.如图6中负氧离子浓度图所示，一年中，海口火山口国家地质公园在不同方向上的平均负氧离子浓度呈现出一定的规律性.总体上，负氧离子在西南、正南、东南方向上浓度高于西北、正北、东北方向的负氧离子浓度.在冬季时，西南方向上的负氧离子浓度较其他季节的负氧离子浓度明显降低.如图6中风速图所示，一年中，海口火山口国家地质公园在不同方向上的平均风速呈现出一定的规律性.总体上，风速在西南、正南、东南方向上速度低于西北、正北、东北方向的速度，而在冬季时，西南方向上的平均风速较前几个季节明显增加.

从风向频率和负氧离子浓度分布状况可以看出：风向和负氧离子浓度无明显相关关系，这和Pearson相关性分析所得的结果相同.从负氧离子浓度和风速大小可以看出：上风向所在的负氧离子浓度和风速呈负相关，下风向所在的负氧离子和风速呈正相关.

综合分析得出：根据Pearson相关性分析的结果可知，当不考虑方位影响时，风速和负氧离子浓度无明显相关性.当以风向作为参照，分析不同风向上风速和负氧离子的关系时，发现上风向所在的负氧离子浓度和风速呈负相关，下风向所在的负氧离子和风速呈正相关.根据吴志湘等的实验结果可知，由于空气的持续流动，增多了空气分子彼此之间的摩擦，加速了空气分子的正负电离，从而增加了负氧离子的产生[30].由此可得，在处于较大风速的下风向处更有利于负氧离子的产生.

4 结论与讨论

(1)海口火山口国家地质公园2016年负氧离子浓度均值为1 327个·cm-3，2017年为1 662个·cm-3.火山口负氧离子浓度分布呈现出明显的季节变化，总体上为夏秋高、冬春低的分布趋势.

图6 海口火山口国家地质公园2017年负氧离子浓度和风频、风速对比图

(2)海口火山口国家地质公园在2016—2017年间，大气负氧离子浓度日变化规律基本一致，呈现出中间高、两头低的“A”字型，总体来说，白天负氧离子浓度高于夜间负氧离子浓度，最大值出现在白天，最小值出现在晚上.这一变化规律和同期的温度变化趋势基本一致，并和该地的区位条件相关.其他相关性研究结论与此相反，这说明每个地区的主要影响因素不同，负氧离子浓度也会表现出不一样的变化规律.

(3)海口火山口国家地质公园空气负氧离子总体状况对人体健康是有利的.其中，2016年和2017年对人体健康“有利”的负氧离子浓度占比分别为75.3%和96.98%，对人体健康“很有利”的负氧离子浓度占比分别为29.4%、58.1%.2017年负氧离子状况整体优于2016年.

(4)海口火山口国家地质公园负氧离子浓度和二氧化硫、PM10、PM2.5这三种环境要素呈负相关，和二氧化氮、臭氧、一氧化碳无明显相关性.

(5)2016—2017年间，海口火山口国家地质公园负氧离子浓度和温度呈正相关关系，总体上和相对湿度呈负相关关系，在短时间内受到湿度的正向影响.

(6)大气压、风向和负氧离子浓度无明显相关性.当不考虑方位影响时，风速大小和负氧离子浓度无明显相关性.当以风向作为参照时，上风向所在的负氧离子浓度和风速呈负相关，下风向所在的负氧离子和风速呈正相关.

(7)影响负氧离子浓度的因素十分复杂，且因为地域、时间的不同，各影响因子间所占的比重关系也各不相同.目前负氧离子的测试设备各不相同，评价方法也不够完善，所以急需形成一套较为完善的研究体系，以便能对负氧离子进行更为系统的研究与分析.